Question

地质岩心钻探技术

Answer 1

19世纪中叶出现人力驱动的岩心钻机和天然金刚石钻头至今的100多年中，岩心钻机由早期的机械传动手把给进到机械传动液压给进立轴钻机发展到今天的全液压动力头钻机以及自动化、智能化地质岩心钻机。与此同时，孔底动力钻具（潜孔锤、螺杆钻、涡轮钻、孔底电钻等）也从发明到发展，至今已具有一定水平。从1862年天然金刚石用于制造金刚石钻头岩心钻探方法问世；1899年发明了铁砂（钢粒）钻进；1916年硬质合金开始用于钻探；1954年世界第一颗人造金刚石制造成功并用于制造金刚石钻头；人类经历了天然金刚石表镶钻头钻探时代，铁砂、钢粒和硬质合金钻探时代，人造金刚石孕镶钻头钻探时代至今到了人造复合超硬材料钻探时代。20世纪末至21世纪初，地质岩心钻探技术又有了新的发展。

2.3.2.1 地质岩心钻探设备发展方向

在地质岩心钻探领域全液压动力头钻机引领着地质岩心钻探设备发展方向，自动化钻机已达到实用化程度。

（1）全液压动力头式钻机

加拿大阿特拉斯·科普柯克里斯坦森（Christensen）公司的全液压岩心钻机已经形成完整系列。CS系列全液压钻机，钻进能力从610m至2000m，具有长行程给进、无塔升降钻具、无级调速、机械化程度高、配套器具齐全、生产效率高等优点。其中浅孔钻机分解性强、分解后的部件比较轻，适合难进入地区使用。Boart Longyear公司的LF70型钻机（Φ59mm孔径钻深760m）。CT-171轻便型钻机可用直升机吊运，设计特点是拆开后的部件不超过25kg，若干部件用轻合金制作，总体RFM量轻。其设计为模块化、全液压、轻便、多功能，代表了最新的发展潮流。新型“飞运”钻机是真正的小模块拼装式，适用于难进入地区采用人力或飞运搬迁。例如加拿大的HYDRACORE 4000型钻机，将动力机和液压站也设计为拼装式，钻机动力为200Hp，以绳索取心钻进工艺为主，NQ系列钻进深度达到1067m。

（2）多功能钻机

随着复合钻探技术（即金刚石岩心钻探、空气反循环连续取样钻探、空气潜孔锤取样钻探在一个钻孔中使用的钻进工艺）的普遍应用，适用于该复合钻进工艺的多功能钻机得到快速发展。加拿大国际钻探设备公司的CSR系列钻机，主要用于300～1000m孔深进行反循环中心取样（CSR）作业，在美国、加拿大广泛用于金、铀和铁等地质矿产勘查。美国萨姆公司的T系列钻机，用于水井和煤层气井；英格索兰公司的RD系列钻机，用于水文水井钻探；美国长年公司的HD-600型钻机用于油气、地热和矿产勘探。钻深能力从1000m至3000m不等，如HD-600型钻机用CHD-76绳索取心钻进时钻深能力为3000m。澳大利亚U.D.R.公司的Universal 5000型深孔全液压动力头式钻机，当用Φ89mm钻杆无岩心钻进Φ165mm孔径时，钻深能力为1900m；用CHD101绳索取心钻进时为3100m。配备柴油机动力410Hp，提升能力达450kN。此类钻机整机体积大且笨重，为深孔重型钻机。

（3）自动化、智能化钻机

加拿大JKS Boyles公司开发成功B系列坑道自动化钻机。该系列钻机采取全液压动力头结构，机、电、液一体化和计算机控制钻进方式。施工现场只需一名操作人员。钻进参数完全由计算机监测和控制；钻具升降等作业也全部自动完成。钻进过程也可在地面的通讯操作室（CCR）做连续监视和数据自动记录。B-10、B-15、B-20型自动钻机最大钻进孔深分别为340、600（AQ）、1550m。瑞典海格比（HAGBY）公司开发成功ONRAM系列1000/4 CCD型和2000 CCD型全自动岩心钻机（Computer Controlled Drill）。1000/4 CCD型钻机钻进能力为750m（BQ钻杆）。该钻机可采集和记录钻进过程中的13种参数，根据这些参数对钻进过程进行实时控制。

Atlas Copco公司开发成功Diamec系列全自动钻机，为典型适合金刚石钻进的高速低扭矩钻机。Diamec系列钻机适用于地表或巷道内施工，为全液压动力头式，配备机、电、液一体化的操作系统。经矿山实际应用，具有钻进效率高、钻进成本低和操作简易等明显的优点。Diamec264APC型钻机配置有3种不同的给进长度（0.8、1.8、3.3m），以适应不同需要。近几年，阿特拉斯·科普柯公司陆续研发了DiamecU4APC型、DiamecU6APC型和DiamecU8APC型自动化钻机。其中DiamecU4APC型属第二代自动化钻机，真正实现了机台单人操作。DiamecU6APC型钻机在DiamecU4APC的基础上进一步简化了结构，提高了电子系统在恶劣环境中的工作能力，其钻深能力为1000m。作为第三代自动化钻机代表的DiamecU8APC型钻机，在其设计中更多地考虑了人类工程学（Ergonomic），加强了人性关怀和安全，其钻深能力为1500m。

（4）我国XY系列液压立轴岩心钻机

“九五”期间分别研制成功液压立轴式双卡盘不停车倒杆和交流变频双卡盘地质岩心钻机。“十五”期间研制成功了YDX-3型新一代全液压动力头式地质岩心钻机，钻机适用于金刚石绳索取心、冲击回转、定向钻进、反循环连续取心（样）等多种高效钻探工艺方法。

2.3.2.2 地质岩心钻探工艺技术新进展

随着地质工作的整体复苏，岩心钻探工作量在逐年增多。以绳索取心、液动冲击回转、定向钻进等先进钻探技术为主要特征的小口径金刚石地质岩心钻探技术又重新显示出活力。同时，地质大调查专项成功实施以来，钻探工艺技术又有了新的发展。特别是国家重大科学工程——中国大陆科学钻探工程“科钻一井”的圆满完成对提高我国的岩心钻探工艺水平起到了极大的促进作用。

1）液动潜孔锤结构有较大改进，性能有很大提高，“三合一”钻具初步研制成功。“十五”期间研制成功的YZX127液动潜孔锤，采用了全新结构，大幅度提高了液动锤的能量利用率和稳定性，其技术成果获得2项国家发明专利。在“科钻一井”施工中创造了单井连续使用液动锤进尺3485.69m和使用井深5118.2m两项世界纪录。自主研制的液动潜孔锤+螺杆马达+绳索取心“三合一”钻具在“科钻一井”主孔5000多米孔深成功钻进一个回次并取出3.5m长的完整岩心。证明该套钻具的研究获得初步成功。

2）对VDS垂钻系统及保真取样钻具进行了有益探索。多用途微机自动定向钻进系统与工艺的研究以自动控制纠偏为主线，探索利用成熟的传感器、液压和机械等技术组成机、电一体化的闭环控制垂钻系统，基本解决了由于空间狭小和工作环境恶劣引发的各项技术难题，探索出了一套可用于闭环控制系统的主要硬件设计的工作思路，为今后开展高技术自动垂直钻井或自动定向钻进系统研究，积累了经验，为系列化研究打下了基础。

3）定向钻探技术及对接井钻井技术有新发展。设计了适应于定向钻进的组合钻具，改进了中低转速螺杆钻具，使之可适应牙轮钻头、金刚石钻头及复合片钻头；编制了定向钻进与水平钻进设计与控制软件；改变了水溶性矿产的采矿方式，大大提高了采矿效率和矿产资源利用率。完成了2对近3000m深井对接井，开创了我国对接井技术的新纪元，实现采卤对接井的重大技术突破。

4）中国大陆科学钻探工程“科钻一井”的圆满完成。2005年12月17日“中国大陆科学钻探工程新型钻井技术体系的研究与应用”科技成果通过了国土资源部的鉴定。该项目创造性地将“组合式钻探技术”、“灵活的双孔方案”和“超前孔小直径取心钻进方法”有机地结合起来，形成了独具中国特色的科学钻井技术体系。该新型钻井技术体系主要由井底动力驱动的冲击回转取心钻探技术、硬岩大直径长井段扩孔钻进技术、强致斜地层井斜控制技术、性能优良的LBM-SD泥浆体系、小间隙固井及活动套管应用技术、孔内事故预防处理技术、钻探数据采集处理技术等组成。“科钻一井”的成功实施及其所取得的科技成果对我国地质岩心钻探技术水平的提高起到了极大的推动作用。

5）新型钻探碎岩方法还在不懈探索。中国地质大学（武汉）建成了“热熔钻进实验系统”，针对松散、卵砾石地层进行了初步实验。中国地质大学（北京）声频振动钻机及钻探技术研究正在进行，定向钻进钻孔轨迹实时监控和中靶系统研究也已启动。吉林大学生物非光滑理论与仿生金刚石钻头研究已取得试验数据。

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